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Ingo Rechenberg. PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“. Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel. Dädalus und Ikarus Vorbild „Vogel“. Kein Leitwerk. Otto Lilienthal (1848-1896). Otto Lilienthal am 16. August 1894:.

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Presentation Transcript
slide1

Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“

Vorbild Vogelflug

Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel

slide2

Dädalus und Ikarus

Vorbild „Vogel“

Kein Leitwerk

slide3

Otto Lilienthal (1848-1896)

Otto Lilienthal am 16. August 1894:

Lilienthals systematische Studien des Vogelfluges führten zum ersten erfolgreichen Flug des Menschen

Schlagflügelapparat

mit aufgespreizten Flügelenden

slide4

Dornier Do328

Foto: Ingo Rechenberg

Seeschwalbe

Seeschwalbe

Rumpf mittig!

Flügel vorn!

Leitwerk hinten!

Foto: Ingo Rechenberg

Lösung der biologischen Evolution

Lösung der Ingenieure nach über 100 Jahren Flugzeugentwicklung

slide5

Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker

Denn:

Das Flugzeug ist eine bionische Erfindung

Das Flugzeug ist noch immer

Gegenstand bionischer Forschung

slide6

?

Energieersparnis

Rabengeier mit

aufgespreizten Flügelenden

slide9

Wie entsteht Auftrieb

an einem Tragflügelprofil ?

slide10

1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein.

2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht Unterdruck (Bernoulli-Gleichung).

Dagegen spricht:

Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb, obgleich oberer und unterer Weg gleich lang sind !

slide11

Das Strömungsteilchen erhält durch Unterdruck auf der Profiloberseite die notwendige Zentripetalkraft, um sich auf der gekrümmten Bewegungsbahn zu halten.

Zentripetalkraft

Zentrifugalwirkung

Unterdruck

Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?

slide12

Auch bei einer angestellten ebene Platte sind die Stromlinien gekrümmt und sie erzeugt deshalb Auftrieb

slide13

r

v

j

Flügelspannweite

Zirkulation

Kutta Joukowski

Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung

A

v

Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb !

Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 !

Mathematische Strömung Potentialwirbel

Geschwindigkeitsfeld

Formel von Kutta/Joukowski

slide14

Zirkulation

Anfahrwirbel

Gebundener Wirbel (Zirkulation) und Anfahrwirbel an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel

slide15

Warum bildet sich ein Zirkulationswirbel ?

Der abschwimmende Anfahrwirbel kann allein nicht existieren. Sein Drehgeschwindigkeitsfeld würde einen unendlichen Energieinhalt besitzen. Es muss ein gleich starker Gegenwirbel entstehen, damit sich die Geschwindigkeiten im Unendlichen auslöschen. Der Gegenwirbel ist der Zirkulationswirbel G .

G

slide16

Auftriebs-

Strahl

Randwirbel

erzeugt Auftriebsstrahl

Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben !

!

slide17

Ludwig Prandtl (1875-1953)

Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick verschwinden lassen

Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand.

Nach Ludwig Prandtl

Aber: Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.

slide19

Der Doppeldecker-Trick halbiert den Randwiderstand

Vorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel

slide20

Horatio Frederick Phillips

1845 -1926

20-Decker von Horatio F. Philipps (1904)

slide22

Rabengeier mit

aufgespreizten Flügelenden

slide23

Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule

Siehe Vorlesung „Berwian“

Randwirbel am Normalflügel

Multideckertrick oder

Wirbelspulenprinzip

Zwei Deutungen des

Spreizflügeleffekts

Randwirbel am Spreizflügel

slide24

Nachkommen realisieren

ca- cw- Messung

Flexible Bleistreifen

Neue Generation

Eltern eingeben

Nachkommen bewerten

Nachevolution im Windkanal (Neobionik)

slide25

Generation

Max

0

3

6

9

15

12

18

21

24

Evolution eines Spreizflügels im Windkanal

27

slide26

æ

ö

2

c

ç

÷

w

=

0

,

0216

ç

÷

3

c

è

ø

a

min

æ

ö

2

c

ç

÷

w

=

0

,

0188

ç

÷

3

c

è

ø

a

min

Diplomarbeit: Michael Stache

Spreizflügel

versus

Normalflügel

slide27

Was gewinnt der Vogel

durch aufgespreizte Flügelenden ?

slide28

?

?

Evolutions-

Wettkampf

slide29

Daten für Bussard

Formel für die Sinkgeschwindigkeit

G = 0,8 kg F =0,2 m2

g = 9,81 m/s2r= 1,1 kg/m3

Wir erhalten aus dem Polardiagramm

Für den Vogel ohne Spreizung

Für den Vogel mit Spreizung

slide30

13 min 33 sec

14 min 30 sec

Evolutions- Wettkampf

slide31

Boeing C-17 A Globemaster III

Winglets

Vorstufe des Spreizflügels des Vogels

slide32

Winglets am

Segelflugzeug

slide33

Auf dem Weg

Doppelwinglets MD 11 (Boeing)

zum Vogelflügel

Dreifach-Winglets (Antonov)

slide34

Auf dem Weg zum Vogelflügel

Doppelwinglets:

Arava IAI 202 (1977)

slide35

Auf dem Weg zum Vogelflügel

Winggrids

a) Winggrid UL-Flugzeug DynAero

b) "Winggrid" eines Kondors

c) Motorsegler Stemme S10

Lang gezogene Wirbelspule

Motorsegler Prometheus mit Visualisierung der Wirbelzöpfe

d)

Aus dem Internet

slide37

Foto: Michael Stache

Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug

slide39

Die abnehmende Flügeltiefe muss man sich in kleinen Stufen realisiert vorstellen

Vom gespreizten

Flügelunterseite wird zur Oberseite (Möbius-Band)

Vogelflügel

Patent von Louis B. Gratzer

zum

Schlaufenflügel

slide44

Birgenair-Flug 301 – Absturz am 9. Februar 1996 bei Puerto Plata in den Atlantik

Absturz durch Strömungsablösung

Aus dem Untersuchungsbericht

Die wahrscheinliche Unglücksursache lag in dem Unvermögen der Flugbe-satzung, die Aktivierung des Stick Shaker als unmittelbare Warnung für den Übergang in den überzogenenFlugzustand zu erkennen und die Unfähigkeit, die entsprechenden Verfahren zur Behebung dieses Flugzustandes durchzuführen. Vor der Warnung durch den Stick Shaker hatten eine fehlerhafte Anzeige des Anstiegs der Fluggeschwindigkeit und die Warnung für die Überschreitung der maximalen Geschwindigkeit zur Verwirrung der Besatzung geführt.

Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995

slide46

Braun-Skua

in der Antarktis

? ? ?

slide47

Unterdruck

Überdruck

Wie kommt es zu einer Strömungsablösung ?

Hoher Unterdruck (Sog)

-

Druckverteilung an einem Tragflügelprofil

slide48

B

Wichtig !!!!!!!

A

Entstehung einer Ablösung

Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durch

Reibung abgebremst. Das Strömungsteilchen, das gegen den starken Sog ankämpfen

muss, kommt am Punkt A zum Stillstand. A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt.

Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt das an der Stelle B beschleunigte Strö-mungsteilchen (Bernoulli!) dem Sog des Unterdrucks.

slide49

Hier ist bei einem Auftrieb erzeugenden Tragflügel die Strömung immer turbulent, d. h. mit Mikrowirbeln durchsetzt. Dadurch wird Energie von der Außenströmung an die Wand transportiert. Bei einer laminare Grenzschichtströmung würde es ein Strömungsteilchen niemals von B nach A schaffen !

B

A

slide50

Zusammenbruch des Auftriebs

Wanderung der Ablösung

zum Druckminimum

slide51

!

Bremsung der Ablösung

durch eine Deckfeder

slide52

Braun-Skua

Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag-ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt.

? ? ?

Rückstromtaschen

slide53

Braun-Skua

Anordnung der Deckfedern

slide54

Dreifache Rückstrombremsung

Braun-Skua: Ablösekontrolle

slide56

Janosch Huser

Rückstrombremsen an einem Flugmodell

slide57

Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche (Alulae)“

These: Randwirbel, der als Grenzschichtzaun fungiert

Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?

slide59

Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“

Angriff - Hochziehende Skua

slide60

Ende

www.bionik.tu-berlin.de